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浙江大学唐睿康教授课题组利用超小尺寸磷酸钙纳米簇开展骨质疏松骨修复的新策略
2019-09-01  来源:高分子科技

  骨质疏松症是由骨中矿物缺失引起的,它是一种很难被治愈的慢性病。在正常骨中,纳米羟基磷灰石晶体嵌入到胶原纤维束中,通过多级组装形成具有一定硬度和韧性的骨组装。在骨质疏松骨中,由于胶原过度脱矿造成了胶原内的羟基磷灰石矿物相的缺失,从而降低其硬度并增加其骨折的风险。虽然人们对骨质疏松症防治开展了大量的研究并取得了进展,但是目前对骨质疏松症的治疗多为药物服用,虽然能一定程度上抑制症状进一步发展但无法实现治愈的目的。在实验室层次上,当前对骨质疏松症的治疗策略研究则集中在切开疏松骨放入人工材料诱导矿化,这种方法增加了手术成本,也不利用伤口愈合。因此通过简便有效的方法来治疗骨质疏松骨依然是目前亟待解决的一大难题。

  针对此类问题,浙江大学化学系唐睿康教授团队在其长期生物矿化研究的基础上,提出了通过体内注射的方式将超小尺寸磷酸钙纳米簇注射入骨质疏松骨内,利用磷酸钙纳米簇小尺寸效应实现了胶原内的再矿化。不同与传统的纳米材料,这种磷酸钙纳米簇具有超小的粒径(~1 nm)。如何实现纳米簇材料的宏量制备及其稳定性是该研究的关键科学问题。课题组借鉴生物矿化过程,巧妙地通过利用两种高分子(聚丙烯酸和聚天冬氨酸)的协同稳定作用制备得到的,由于所得到纳米簇具有很好的流动性,因此被定义为磷酸钙的高分子诱导液体前驱体(图1)。

图1。 (a) 磷酸钙纳米簇材料;(b) 冷冻透射电镜(cryoTEM)下的纳米簇;(c)材料的流变性。

  这一新材料特点是拥有优越的骨诱导功能。由于小尺寸效应,磷酸钙纳米簇可以通过渗透的方法直接进入脱矿的胶原纤维内部,并在胶原内矿化结晶为羟基磷灰石(HAP),从而达到原位矿化胶原的目的,可以有效的治疗骨质疏松骨。这种简单有效的通过再矿化脱矿胶原的方法治疗骨质疏松骨的为骨质疏松症的治疗提供了新的思路。值得一提的是,这种磷酸钙纳米簇还具有良好的可注射性,可以直接注射入骨质疏松骨中,从而简化了实验过程,减少手术创伤,可以快速的愈合伤口。并且这种磷酸钙纳米簇在8周时的修复结果达到稳定(图2)。Micro-CT统计结果显示修复8周后,其骨密度和正常骨相近。同时,其机械强度(包括硬度和韧性)以及修复骨的矿物比例也都与正常骨相近。这个结果证明磷酸钙纳米簇可以快速有效的修复骨质疏松骨。该研究为纳米生物材料在硬组织修复方面的应用提供了新的思路,突出了仿生矿化策略在生物组织再生中的运用。

图2。 (a) 将磷酸钙纳米簇注射入小鼠胫骨平台。(b-m) 磷酸钙纳米簇体内修复疏松骨4周,8周和12周以后的二维,三维微型电脑断层扫描 (micro-CT)和苏木精伊红(H&E)染色结果图。(b, f, j) 0周,(c, g, k) 4周,(d, h, l) 8周,(e, i, m) 12周。

  该成果近日以“Osteoporotic Bone Recovery by a Highly Bone-Inductive Calcium Phosphate Polymer-Induced Liquid-Precursor”为题发表在Advanced Science上。论文第一作者为姚沙沙博士,通讯作者为唐睿康教授,荷兰埃因霍温理工大学Nico A. J. M. Sommerdijk教授研究团队完成了对磷酸钙纳米簇的冷冻电镜表征。工作得到了国家重点研发项目(2018YFC1105101)和国家自然科学基金(21625105和21571155)的支持。

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(责任编辑:xu)
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